37° 25′ 19.02″ N, 122° 6′ 12.18″ W
Aus Shockley Semiconductor (siehe Kapitel 84) ging der Prototyp des Silicon Valley-Startup hervor: die 1957 gegründete Firma Fairchild Semiconductor. Innovativ und auf Produkte (nicht nur auf Forschung) fokussiert, brachte Fairchild viele andere Silicon Valley-Größen hervor (darunter Intel, LSI Logic und AMD). Ihre Sprösslinge werden häufig als »Fairchildren« (also Fairchilds Kinder) bezeichnet. Bei Fairchild selbst wurde die Planartechnik erfunden, die zur Herstellung von Halbleiter-Chips verwendet wird.
In etwa zeitgleich erfanden im Jahr 1958/1959 Jack Kilby (bei Texas Instruments) und Robert Noyce (bei Fairchild) die integrierte Schaltung, die mehrere Transistoren (und andere Komponenten) auf einem einzelnen Stück Silizium vereinigte. Kilby entwickelte eine Schaltung, die auf der Mesatechnik basierte (siehe Kasten), und verband die Komponenten mit feinen Golddrähten. Bei Noyces Schaltung wurde die Planartechnik verwendet, die eine anspruchsvolle Verdrahtung nutzte. Die Planartechnik hat sich durchgesetzt, aber Kilby gewann den Nobelpreis.
Mithilfe der Planartechnik konnte Fairchild funktionierende integrierte Schaltkreise konstruieren und lieferte 1960 die ersten Prototypen aus. 1961 wurde eine Reihe integrierter Schaltungen angekündigt, die die Größe eines Computers um bis zu 70% reduzieren sollten. Die einfachen ICs umfassten Logikschaltungen und Flipflops (die als 1-Bit-Speicher verwendet werden konnten). Sie waren die Vorläufer der Mikrochip-Revolution, die sich bis zum heutigen Tag fortsetzt. Die Chips verfügten über nur wenige Transistoren – für ein Flipflop beispielsweise sind lediglich zwei Transistoren erforderlich. Doch die Anzahl der Transistoren auf einem Chip sollte sich noch drastisch erhöhen.
Die Planartechnik
Für die Herstellung von integrierten Schaltungen (oder Chips, wie man sie üblicherweise nennt) müssen mehrerer Lagen aus Halbleitermaterial (P- oder N-dotiert, siehe die Photovoltaik und Der erste Transistor) aufgebaut werden. Diese dienen dann der Herstellung von Transistoren und andere Komponenten. Die Komponenten werden anschließend über Drähte miteinander verbunden. Externe Anschlüsse sorgen dafür, dass der Chip mit der Leiterplatte verbunden werden kann.
Chips basierten ursprünglich auf der Mesatechnik. Zuerst wurde ein Silizium-Wafer mit N- und P-dotiertem Silizium hergestellt. Dann wurden starke Chemikalien verwendet, um Senken in das Silizium zu ätzen. Das Endergebnis war N- und P-dotiertes Silizium in einer oben abgeflachten Sandwichform, die sich bestens für den Aufbau von Transistoren eignete. Diese Sandwiches nannte man Mesas, nach den oben abgeflachten Hügeln, die man in einer bestimmten Region der südwestlichen USA findet.
Bei Fairchild entwickelte Jean Hoerni die flexiblere Planartechnik. Ausgangspunkt für die Planartechnik ist eine Siliziumscheibe, die üblicherweise als Silizium-Wafer bezeichnet wird, und die mit einer Schicht aus Silizumoxid (SiO2) überzogen wird. Dazu lässt man das Silizium bei hohen Temperaturen mittels Dampf oder reinen Sauerstoffs oxidieren. Die Siliziumoxid-Schicht dient als Isolator.
Dann werden Teile des ursprünglichen Siliziums freigelegt, indem man sich durch das Siliziumoxid ätzt. Dies geschieht mithilfe eines fotolithografischen Verfahrens, bei dem eine Schicht einer fotoresistenten Chemikalie auf das Siliziumoxid aufgetragen wird. Diese Chemikalie wird dann durch eine spezielle Maske mit ultraviolettem Licht bestrahlt. Mithilfe der Maske werden über entsprechende Muster die Bereiche des Wafers definiert, die freigelegt werden sollen. An den Stellen, an denen Licht auf die fotoresistente Chemikalie fällt, verändert sich diese. Der Wafer wird dann mit einer weiteren Chemikalie gewaschen, die sowohl die fotoresistente Schicht an den Stellen, an denen sie dem ultravioletten Licht ausgesetzt war, als auch das darunterliegende Siliziumoxid wegätzt. Auf diese Weise wird der Silizium-Wafer freigelegt.
Silizium kann in einen Halbleiter umgewandelt werden, indem man es Chemikalien aussetzt, die zu Unreinheiten im Wafer führen. Bringt man Silizium mit Bor zusammen, dann werden freie Elektronen im Silizium entfernt. Diese Bereiche bilden dann einen P-dotierten Halbleiter. Verwendet man stattdessen Arsen, wird ein Überschuss an freien Elektronen erzeugt, und es entsteht N-dotiertes Material. Dieses Verfahren wird als Dotierung bezeichnet.
Dotiertes Silizium kann erneut mit Siliziumoxid überzogen und unter Verwendung des fotolithografischen Verfahrens mit einem weiteren Muster versehen werden. Auf diese Weise können unterschiedliche Teile des Silikons dotiert werden, um mehrere Schichten von N- oder P-dotiertem Halbleitermaterial herzustellen, aus denen dann Transistoren und andere Komponenten erzeugt werden.
Schließlich werden noch die Komponenten miteinander verbunden, indem man die Bereiche freilegt, an denen der Wafer Kontakt mit Metall haben soll. Hierzu trägt man eine Aluminiumschicht auf, die wieder fotolithografisch weggeätzt wird, um die gewünschten Verbindungen herzustellen. Bei modernen integrierten Schaltkreisen wird dieser Vorgang wiederholt, um mehrere Schichten aus Komponenten und Verbindungen herzustellen.
In Abbildung 85.1 wird ein NPN-Transistor auf einem Silizium-Wafer (der vorher N-dotiert wurde) hergestellt. Zuerst wird der Wafer mit Siliziumoxid überzogen (a) und ein Loch in die Oxidschicht geätzt (b). Im nächsten Schritt wird ein P-dotierter Bereich hergestellt und ebenfalls oxidiert (c). Anschließend wird ein weiteres Loch geätzt (d) sowie ein N-dotierter Bereich hergestellt und reoxidiert (e). Im darauffolgenden Schritt werden die Löcher für die Kontakte geätzt (f). Abschließend wird dann das Aluminium für die Kontaktpunkte angebracht (g).
1965 schrieb Gordon Moore (einer der Fairchild-Gründer) einen Artikel für Electronics mit dem Titel »Cramming More Components onto Integrated Circuits«. Darin prognostizierte er, dass sich die Zahl der Komponenten bei integrierten Schaltungen alle zwei Jahre verdoppeln würde (er schätzte, dass ein einzelner Chip 1975 rund 65000 Komponenten enthalten würde). Diese Einschätzung ist als Moores Gesetz bekannt und bis zum heutigen Tag gültig (der Intel Itanium-Prozessor Tukwila beispielsweise vereint über 2 Milliarden Transistoren auf einem einzigen Chip). Das Gesetz wurde auch auf andere Bereiche der Digitaltechnik ausgeweitet, etwa die Speicherkapazität von Festplatten oder die Anzahl der Pixel pro Dollar bei Digitalkameras.
Fairchild wuchs und war am neuen Markt für digitale Schaltungen erfolgreich, wenn auch nur als Nummer zwei hinter Texas Instruments. 1968 jedoch verließen Gordon Moore und Robert Noyce das Unternehmen, nachdem es in finanzielle Schwierigkeiten geraten war. Ihr nächstes Startup, Intel, ist heute jedem ein Begriff. Fairchild Semiconductor existiert bis zum heutigen Tag.
Das alte Fairchild-Gebäude in der 844 E. Charleston Road in Palo Alto steht immer noch. Leider gibt es dort, genauso wie beim Shockley Semiconductor Laboratory, für den technisch Interessierten nichts zu sehen. In dem Gebäude befindet sich heute nicht einmal mehr ein Technologieunternehmen. Ein Foto vor dem denkmalgeschützten Gebäude ist jedoch für jeden Technikfreak ein Muss.
Nachdem Sie das Foto am Fairchild-Gebäude gemacht haben, sollten Sie die HP-Garage (siehe Kapitel 90) besuchen, die sich ganz in der Nähe (ebenfalls in Palo Alto) befindet.